LHCb découvre un nouveau type de tétraquark au CERN

Publié par Redbran le 02/07/2020 à 13:00
Source: CERN
La collaboration LHCb a observé un type de particule inédit, comprenant quatre quarks. Cette nouvelle particule, présentée récemment lors d'un séminaire au CERN et décrite dans un article déposé aujourd'hui sur le serveur de prépublication arxiv.org, est vraisemblablement la première d'une catégorie de particules non observées auparavant.


Illustration d'un tétraquark composé de deux quarks c et de deux antiquarks c, observé pour la première fois par la collaboration LHCb au CERN. (Image: CERN)

La découverte devrait aider les scientifiques à mieux comprendre les façons complexes dont les quarks se lient les uns aux autres pour former des particules composites comme les protons et les neutrons, présents dans les noyaux atomiques.

Généralement, les quarks s'assemblent par groupe de deux ou trois pour former des particules appelées hadrons. Depuis des décennies toutefois, les théoriciens postulent l'existence d'hadrons constitués de quatre ou cinq quarks, appelés parfois tétraquarks et pentaquarks, et, ces dernières années, des expériences, dont LHCb, ont confirmé l'existence de plusieurs de ces particules exotiques.Ces particules, constituées de combinaisons inhabituelle de quarks, sont un "laboratoire" idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde...) pour l'étude de l'une des quatre forces fondamentales connues de la nature, l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact...) forte, qui fait tenir ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) les protons, les neutrons et les noyaux atomiques qui constituent la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...). Il est également essentiel de connaître précisément l'interaction forte pour déterminer si les nouveaux processus non prédits sont ou non le signe d'une nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...).

"Les particules constituées de quatre quarks sont déjà exotiques, et celle que nous venons de découvrir est la première composée de quatre quarks lourds du même type, à savoir deux quarks c et deux antiquarks c", a déclaré Giovanni Passaleva, porte-parole sortant de la collaboration LHCb. "Jusqu'à présent, LHCb et les autres expériences avaient observé uniquement des tétraquarks comprenant au maximum deux quarks lourds, et aucun ayant plus de deux quarks du même type."

Ces particules exotiques lourdes sont des cas extrêmes, et pourtant constituent des objets assez simples théoriquement, avec lesquels il est possible de tester des modèles pouvant ensuite être utilisés pour expliquer la nature des particules de la matière ordinaire, comme les protons ou les neutrons. Les observer pour la première fois dans des collisions au LHC est donc très intéressant", explique Chris Parkes, nouveau porte-parole de LHCb.

L'équipe de LHCb a découvert ce nouveau tétraquark en utilisant la technique de chasse aux particules consistant à chercher dans les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) issues des collisions un excédent d'événements, c'est-à-dire une "bosse" se détachant de la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.) qui représente les événements constituant le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...). En passant au crible l'intégralité des données collectées par LHCb pendant la première et la deuxième exploitation du Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons, de 2009 à 2013 et de 2015 à 2018 respectivement, les scientifiques ont repéré une bosse dans la distribution des masses d'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) de particules J/ψ, constituées d'un quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants...) c et d'un antiquark c. Cette bosse a une signification statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le...) de plus de cinq écarts-types, seuil usuel à partir duquel on peut parler de découverte d'une nouvelle particule, et elle correspond à une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...) où sont censées se trouver les particules composées de quatre quarks c.

Comme pour les tétraquarks découverts précédemment, on ne sait pas exactement si cette nouvelle particule est un "véritable" tétraquark, c'est-à-dire un système composé de quatre quarks liés étroitement les uns aux autres, ou une paire de particules à deux quarks, les deux particules étant faiblement liées selon une structure comparable à celle d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant...). Quel que soit le cas de figure, le nouveau tétraquark aidera les théoriciens à tester les modèles de chromodynamique quantique (La chromodynamique quantique, acronyme QCD de l'anglais Quantum ChromoDynamics, est une théorie physique qui décrit l’interaction forte, l’une des forces fondamentales. Elle fut proposée en 1973 par H. David Politzer, Frank Wilczek...), la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) qui décrit l'interaction forte.

Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site web (Un site Web est un ensemble de pages Web hyperliées entre elles et mises en ligne à une adresse Web. On dit aussi site Internet par métonymie, le World Wide Web reposant sur Internet.) de l'expérience LHCb (en anglais).
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